数字化集气站有效应急时间控制建模

王烨炜，陈增辉，李彦军，杨昭勇，呼成刚

中国石油长庆油田公司第四采气厂，陕西西安710021

数字化集气站有效应急时间控制建模

王烨炜，陈增辉，李彦军，杨昭勇，呼成刚

中国石油长庆油田公司第四采气厂，陕西西安710021

苏里格气田集气站逐步实行无人值守的数字化运行模式，若站区内无人值守运行时遇超压等复杂情况，场站的应急处置成为关键。文章通过跟踪苏6-7站运行，分析充压过程及应急事件的有效处理时间，导出集气站充压有效时间的计算公式，并通过实例进行了验证和修正，得到了适合苏6、苏36-11区块集气站应急时间计算通式，并对各集气支线的升压时间进行计算，得到各站以及各管道的有效应急时间平均在28 min左右，为应急预案的编写提供了有力依据。

集气站；数字化；应急时间；建模

1 苏6-7数字化集气站运行现状

1.1 苏6-7站基本情况

苏6-7集气站位于内蒙古自治区乌审旗境内，苏东41-33井区中西部。该站所辖天然气生产井50口，日配产40万m3，站内主要设备有：天然气压缩机组2台、强吸分离器2台、闪蒸分液罐1台、污水罐2台、天然气发电机1台、生活污水处理设备1套。

“数字化集气站”升级改造后，苏6-7站实现了“生产监测、智能报警、远程控制、安防监控、供电自动切换”等数字化功能，开始执行人工巡站和应急事件集中处置的管理模式。为了对人工巡站和应急事件处置时间实现精细化管理、合理化安排，本文对集气站充压过程进行数学建模，对单井、集气站管道充压时间进行计算。

1.2 苏6-7站无人值守管理模式

该站日常管理由驻站模式改为人工巡站模式，生产工艺中气液分离后进入外输流程的手动阀门控制改为电动阀门控制。

运行中由专人管理巡站人员，跟踪生产运行，收集日常管理、应急处置等环节中存在的问题，定期分析、总结，优化管理模式，最终实现无人值守站安全高效运行。

1.3 无人值守站常见应急状况

（1）压缩机异常停机。冬季时，启运压缩机进行井口降压、外输增压，由于苏6-7站所辖部分气井产液量大，易造成管道积液，一旦站内疏水阀出现故障无法及时排液或压缩机出现故障时，都会造成压缩机停机。压缩机停机后，站内气量无法外输，内部系统压力将迅速上升。

（2）下游天然气泄漏。当下游天然气管道出现泄漏、刺漏、着火等异常情况时，应远程切断外输截断阀，截断气源，消除站内安全隐患。外输气源切断后，立即将站内所辖单井应急关闭，统筹安排集中处置应急事件，确保应急管理安全有效。

苏6-7站应急事件处置中存在的主要问题为当压缩机停机或外输截断阀紧急切断后，无法准确计算单井、集气站管道升压时间，因而无法确定处置问题的有效应急时间，无法对整个应急处置进行统筹安排。因此新的管理模式运行后，计算应急事件处置的有效应急时间显得尤为重要。

2 苏6-7站有效应急时间分析

集气站在站内压缩机停机、外输紧急截断阀切断等情况下，单井仍处于正常生产中，而集气站气量无法外输。为保证无人值守集气站安全平稳运行，必须在充压时间段内解决应急处置人员到达集气站的问题。

2.1 建立管道充压数学模型

事件处置的有效应急时间是指站内系统压力升至外输压力的时间。气井持续生产，当集气站气流运行被切断，管道压力会不断上升。此时，站内升压过程可转换为密闭容器的充压过程。集气站的充压容器主要包括单井管道、干管、站内进站总机关、站内分离器及分离器至压缩机进口管道，因单井管道、干管容积远大于站内部分工艺管道容积，故计算中将站内部分容积简化，只考虑单井管道和干管容积。

管道充压模型见图1：设充气管道截面积为A（cm2）；初始压力为P0（Pa），升高后压力为P2（Pa）；管容为V（L）；瞬时流量为Q（Pa·L/s）；P0＜P2。

图1 管道充压模型

向管道充压时，P0将逐渐升高最终达到P2，而通过生产阀门流入管道的气体流量也将随着P2的升高由最大流量Qmax而趋向于零。

设在某一时刻t，管道容积为V，压力为P2，经过时间d t后，压力增至P2+dP2，则管道中的气体增量为VdP2，流进管道中的流量为Q d t，由此可得：

在集气站充压过程中，随着压力升高，管道流速降低。但据观测，管道流速降低幅度很小，因而在管道充压过程中假设流量为线性流体，管道充压过程简化为线性过程，管道流量为集气站瞬时流量Q，则：

式中Δt——升压时间/min；

V——管道容积/m3；

ΔP——管道前后压差/MPa；

Q——站内瞬时流量/（万m3/d）。

2.2 数学模型验证

本文采用试运行期间苏6-7站1#、2#压缩机多次故障停机后生产运行所记录的数据，根据式（2）计算升压时间，再与现场实际测算的升压时间进行对比，见表1。

本次试验累计停机9次：1#压缩机停机6次，2#压缩机停机3次，通过表1可以看出，压缩机停机后系统计算升压时间结果均大于实测升压时间，平均时差为10 min。

通过分析，实测管道升压时间短的主要原因是管道积液后造成容积减小，故对式（2）进行修正，求取苏6-7站管容系数Z，修正后的计算公式：

表1 苏6-7站压缩机停机系统实际与理论计算升压时间对比

通过计算，苏6-7站管容修正系数Z取0.80，即实际管容为理论计算管容的80%。式（3）为苏6-7站管道升压有效时间计算简式，将式（3）计算结果与实测值进行对比，两者一致性较好。

2.3 应用效果分析

为了进一步加强式（3）的实用性和可操作性，试验组随机抽取苏36-3站、苏6-4站开展式（3）的测试工作，测试结果见表2。

表2 苏36-3、苏6-4站井组升压时间测试

如表2所示，苏36-3站的苏36-2-25井组和苏6-4站的苏6-3-2井组现场测试升压时间分别为26、10 min，而根据式（3）计算结果分别为26.12、12.62 min，与实测数据符合较好，误差小，表明根据密闭容器充压模型建立的集气站充压模型，能够准确反映集气站管道充压过程。

本试验因考虑到集气站安全平稳运行，避免单井冻堵等原因，井组干管升压幅度较小，因此验证结果存在一定的偶然性；另外该次验证试验选取苏36-3站、苏6-4站两条干管，选择范围较小，也造成公式运用的片面性。为进一步提升式（3）的实际应用效果，为集气站无人值守后应急控制提供有效借鉴，又通过式（3）对苏6、苏36-11井区13座集气站升压时间进行计算，结果见表3。

表3 集气站升压时间计算结果

通过计算可以看出，集气站的平均应急时间为28 min左右，其中苏6-3站升压时间最快。所得结果对于制订监测制度可以起到借鉴作用，同时亦可准确地掌握部分场站的压力运行情况。

后期可根据站内实测与理论计算公式进行对比，优化有效应急时间理论模型。

3 结论与建议

（1）通过分析数字化集气站的功能，进一步了解无人值守站管理模式及其应急处置管理的重要性，深入分析后得出有效应急时间即为有效使用管段的充压时间。

（2）通过对应急时间的分析建立了管道充压模型，并在实际应用中进行验证。得出理论分析与实际应用的修正关系式，计算出管容修正系数为0.8。

（3）对苏6、苏36-11区块集气支线的升压时间进行计算，得到各站及管道的有效应急时间平均为28 min左右，为应急预案的编写提供了有力依据。

（4）有效应急时间的准确计算对数字化集气站实现无人值守运行起到了重要作用，实现工作方式由“管理安全”转换到“安全管理”上。有效应急时间的准确计算为应急小组的统筹安排提供了重要依据，避免粗放式管理造成资源浪费。

为最大限度地获得事件处置的有效应急时间，提出以下保障措施建议：

（1）将进站井组进行导通，避免部分高产井组提前超压。

（2）对分离器外输电动球阀进行调试，确保站内流程远程制导。

（3）根据计算结果，对事件处置有效应急时间较短的集气站，可设置中心保障点，以保证集气站无人值守后安全平稳运行。

[1]王成生，赵国胜，付长亮，等.真空容器充气时间计算公式的讨论[J].真空，2008，45（5）:20-22.

[2]徐树深.真空容器充气时间计算[J].真空，2000，（2）:10-12.

[3]朱天寿，刘祎，周玉英，等.苏里格气田数字化集气站建设管理模式[J].天然气工业，2011，31（2）:9-11.

Modeling of EffectiveEmergency Disposal TimeControl for Digital Gathering Gas Station

Wang Yewei，Chen Zenghui，LiYanjun，Yang Zhaoyong，Hu Chenggang
NO.4 Gas Production Plant，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710021，China

The gas gathering stations in Sulige Gas Field implement unattended digital operation mode gradually.If overpressure happens in such operation mode，emergency disposalbecomes a key matter.This paper derives the formula to calculate the effective pressurizing time of gas gathering station based on tracing the operation of Su 6-7 station and analyzing the pressurizing process and effective emergency disposal time，it further derives the modified calculation formula suitable for Su 6 and Su 36-11 stations through case verification.The pressurizing time of branch gas gathering pipelines is also calculated by the formula.The calculated average emergency disposal time of the stations and branch pipelines is 28 min，which offers a useful base for compiling the emergency plan.

gas gathering station；digitalization；emergency disposaltime；modeling

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.014

王烨炜（1983-），男，陕西咸阳人，助理工程师，2007年毕业于西安石油大学石油工程专业，现从事气田开发与开采技术工作。

2014-07-13